積體電路產品必須能夠避免受到靜電放電（ElectroStatic Discharge；ESD）的破壞，部分保護功能會內建於晶片內，部分則由外部的應用電路提供，為了有效進行積體電路的保護，我們必須考慮以下的幾個主題：

晶片內部的ESD保護功能可以避免過高的能量進入較敏感的電路，內部的箝位電路可以避免晶片受到過電壓破壞，外部應用電路中的去耦合電容則可以將ESD電壓限制在安全的範圍內，但較小的去耦合電容卻可能會對晶片內部保護電路的運作造成干擾，因此在使用較小的去耦合電容時，可能需要加上外部的ESD電壓箝位保護。

ESD發送模型

靜電放電的大小以電壓方式描述，來源則主要來自於晶片所接觸電容中儲存的電荷，因此不應該想做會有數千伏特的電壓加到晶片上，要評估轉換到晶片的能量，必須使用能夠模擬放電情況的測試設備。

在進行ESD測試時通常使用的有兩種帶電物體模型，請參考圖一，人體接觸放電模型（Human Body Model；HBM）代表了儲存在人體約100pF電容的電荷透過皮膚約1.5kΩ的電阻放電，機械放電模型（Machine Model；MM）則代表了金屬物體上所儲存的電荷，機械放電模型中的放電動作則受到互連感應的限制。

《圖一　ESD測試模型。》

在評估傳送到積體電路上的ESD時，以下的基本概念相當有用。

1.晶片阻抗在高於正常電源位準時較低。

2.機械放電模型中電流受到特性阻抗的限制，約為50Ω。

3.如果ESD電流主要流進電源去耦合電容，那麼晶片兩端的電壓則依保存的電荷多寡而定。　

4.在短時間內可能造成晶片破壞的能量等級約在微焦耳（micro-Joules)的範圍，在搭配有外部去耦合電容時必須加以考慮。

5.因功率消耗產生的熱能，透過將能量釋放拉拉到較長的時間區段可以降低發熱。

傳送到低阻抗的ESD能量可以視為一個電流，如以上第1與第2點，對較高阻抗的情況，通過電荷傳送到去耦合電容與晶片雜散電容的能量為電壓型式，請參考以上第3點，通常為微焦耳級大小的能量在短於1ms的時間內加到晶片上則可能對晶片造成破壞，為以上的第4與第5點。

晶片內部的保護電路

標準的保護機制會限制能夠到達晶片核心電路的電壓與電流大小，圖一中所描述的保護元件包括：

3.1 ESD二極體

連接測試接腳以及晶片電源的二極體提供ESD電流的低阻抗路徑。

如果晶片即將進行人體接觸放電模型測試的初始電壓為2kV，那麼預估ESD電流的大小約在1.33A：　

《圖二　ESD二極體電流與電壓測得的數據。》

較大的電流會在ESD二極體與連接導線上造成IxR的壓降，會大於純粹二極體本身的壓降，晶片的可靠度測試報告通常提供有元件設計可承受的ESD測試電壓。

電源箝位

我們必須為包括電源的所有接腳提供ESD電流的低阻抗路徑，箝位電路可以在正常電路運作時維持高阻抗。

雙載子晶片中的箝位運作和受保護核心電路的防崩潰情況類似，箝位電晶體上的過電壓會造成集極到基級的累增崩潰電流，基射極的前向偏壓更進一步加大集極電流，造成稱為驟迴崩潰（snap-back)的情況。

箝位電路會在晶片中其他電路受到破壞前導通，足夠的箝位保護可避免ESD電流造成二次崩潰。

《圖三　箝位動作運作時所測得的數據。》

ESD保護與應用電路

電源去耦合電容會對箝位的運作造成干擾，箝位電路在正常電壓下，甚至在超過元件的絕對最大規格時為高阻抗狀態，傳送到去耦合電容的電荷可能會產生高於晶片絕對最大容忍值的電壓，但卻不足以導通箝位電路，因此電容就扮演了瞬間將能量送入元件的能量來源。

對特定去耦合電容值，在ESD測試時可以由儲存的電荷大小找出起始電壓，在2kV的人體接觸放電模型測試下，加到0.01μF去耦合電容上的電壓可能達到20V。　

《圖四　能量與電壓相對於電源去耦合電容值的曲線。》

圖四顯示了受保護接腳上電容儲存能量大小的影響，對較小的去耦合電容，箝位電路會透過進入驟迴崩潰將電壓限制在V1，電容中的能量會隨著電容值的提高而增加。

箝位電路兩邊的電壓高於通常為6V的元件絕對最大值，並小於箝位約10V的驟迴崩潰值，但是當去耦合電容出現時，會因儲存能量的關係而造成問題，當元件以無外部電路進行測試時，由於10V對元件所提供的能量相當低，因此不會造成威脅。

如何改善ESD保護

應用電路中晶片的保護可以透過較大的去耦合電容來加以改善，只要電容大到足以讓ESD電荷不會導通箝位電路，加大電容值將能夠降低造成元件破壞的能量。如果C1>>C0，那麼：

將C1倍增：　

我們可以得到，將電容值加以倍增會降低能量兩倍。

對高速雙載子積體電路來說，人體接觸放電模型放電測試中所能吸收的最大能量大約在1μJ的範圍，在進行2kV人體接觸放電模型測試時，箝位電路會在約低於0.02μF的較小電容時啟動，參考圖四。要讓去耦合電容上的能量遠低於1μJ有兩個去耦合電容值可以選擇，那就是電容必須大於0.05μF或者是小於0.005μF，當必須使用較高測試電壓時，0.05μF的較大電容值則必須加以提高。

不幸的是，我們並非隨時都可以使用較大的去耦合電容，衝入電流（Inrush Current）的要求會限制電容值大小的選擇，如果加入電壓的變化速度沒有受到控制，那麼衝入電流的唯一限制就是去耦合電容的大小。　

去耦合電容到電源的連接永遠存在有部分電感，因此通常會在這個連線上加入濾波電感，在這樣的組態下，最大衝入電流會由濾波電感與去耦合電容的特性阻抗決定，和先前提到的機械放電模型測試設備中的電流限制類似。

這將會帶來電源濾波搭配ESD保護考慮的更高彈性。

其他的做法還包括：

結論

要確保達成ESD保護可以採用以下的檢查步驟：

--作者為美商美信（Maxim）公司資深專業技術人員